高負荷下應用米勒循環提升高壓比汽油機熱效率機理研究

鄭斌， 李鐵， 尹濤

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240)

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高負荷下應用米勒循環提升高壓比汽油機熱效率機理研究

鄭斌， 李鐵， 尹濤

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室， 上海 200240)

對高負荷工況下應用進氣閥早關(EIVC)或者遲關(LIVC)技術實現的米勒循環進行仿真計算，基于熱力學第一定律比較分析兩者改善高壓縮比增壓直噴汽油機熱效率的機理。結果表明：幾何壓縮比的增加提高了發動機的理論熱效率，但由于高負荷時的爆震限制使油耗惡化了1.9%；米勒循環的應用可以有效降低爆震傾向，與原發動機相比，采用EIVC與LIVC策略燃油經濟性的分別提升2.4%和3.0%；對比分析EIVC與LIVC對汽油機熱效率的影響發現，LIVC策略能使燃燒相位更加優化、缸內燃燒更為充分，使得其燃油改善效果好于EIVC策略。

進氣閥早關； 進氣閥晚關； 米勒循環； 高負荷； 爆震； 熱效率

日益嚴苛的油耗要求使得內燃機熱效率的提高變得越來越迫切。發動機小型化后，為了滿足功率要求，部分負荷時節氣門開度較常規發動機大，在一定程度上實現了去節流作用，從而得到了廣泛的認可。但與此同時引起的高負荷動力性降低問題使得汽油機增壓壓力必須進一步提高，這又很大程度上加重了高負荷時的爆震問題[1-2]。

米勒循環通過改變進氣閥關閉時刻來減小有效壓縮比、降低壓縮溫度，從而降低高負荷時末端混合氣自燃的可能性。由于壓縮沖程被縮短，米勒循環在相同幾何壓縮比時相比于奧托循環在理論熱效率上反而更低一些。然而，在發動機實際運行過程中，尤其是部分負荷時泵氣損失和傳熱損失減少，使得米勒循環相比于常規發動機仍具有一定優勢[3-4]。

關于米勒循環的研究，國內外已有一些相關報道[3-6]，但對于進氣閥早關或遲關策略實現的米勒循環改善高壓縮比高增壓直噴汽油機，尤其是高負荷時熱效率的綜合對比與機理分析的相關研究還是空白，而這對于降低汽油機燃油消耗的優化設計是很有必要的。鑒于此，本研究在之前部分負荷分析的基礎上[4]，對應用進氣閥早關與遲關策略的汽油機在高負荷工況下進行仿真建模，并對提高熱效率的機理進行比較分析。

1 研究設備及方法

1.1 試驗設置

本研究采用某2.0 L直列4缸雙VVT (Variable Valve Timing)增壓直噴汽油機作為試驗對象，其峰值功率與扭矩分別為152 kW@5 300 r/min，344 N·m@2 200 r/min，原機壓縮比(CR)為9.3，改制活塞厚度后壓縮比為12.0。考慮到低速高負荷時汽油機爆震傾向最為嚴重，因此本研究選擇1 000 r/min，210 N·m作為試驗工況。發動機測試設備見表1。

表1 發動機測試設備

本研究中，通過進氣閥早關(EIVC)或遲關(LIVC)策略來實現米勒循環，通過設計EIVC與LIVC凸輪軸，得到氣閥升程曲線(見圖1)。LIVC是通過拓寬原發動機凸輪軸型線最大升程時的持續期來實現；考慮到發動機實際運行過程中凸輪軸能夠承受的強度，EIVC則是通過降低原機凸輪軸對應氣閥的升程實現。對于原機、EIVC和LIVC對應的凸輪軸，三者都采用改制活塞厚度后的高壓縮比12.0來研究，同時與原活塞對應的9.3壓縮比進行比較。試驗過程中保持排氣閥的升程曲線一致，并對該高負荷工況的點火角和進排氣正時進行掃描與優化，在最優氣門正時下通過掃描點火角得到該工況下的臨界爆震點，并將其作為用于計算模型標定的參考工況。

1.2 計算模型

1.2.1 爆震模型

本研究應用發動機一維仿真軟件GT-Power進行高負荷時米勒循環與原機的仿真建模與分析?？紤]到高負荷爆震問題，采用MAPO(Maximum Amplitude of Pressure Oscillation)方法對通過帶通濾波后的所有試驗循環的缸壓信號進行篩選，從而得到爆震循環，其中MAPO閾值定為0.1 MPa。對于發生爆震的循環，將其缸壓曲線上第一個瞬間突變的鋸齒起始拐點定義為爆震起始時刻。仿真過程中為了預測爆震循環的爆震起始角，采用Livengood-Wu積分[7]進行計算，進氣閥關閉到末端混合氣自著火的時間τ采用考慮多參數影響的增壓發動機現象學爆震模型進行預測[8]。

(1)

(2)

式中：tIVC和tknock分別指進氣閥關閉時刻和爆震起始時刻。由于一維仿真模型無法模擬末端混合氣自燃造成的缸內壓力振蕩，引入一個與自著火延遲期積分達到1時的質量燃燒率(mass burned fraction, MBF)相關的爆震判定標準，以判定仿真過程中是否發生爆震。試驗過程中，將通過掃描點火角得到的臨界爆震點時的MBF值作為用于參考的爆震指標閾值。在仿真中，當自著火延遲期積分Yknock達到1，同時計算得到的MBF達到上述閾值，則判定該仿真工況發生了爆震。

圖2示出3 000 r/min，WOT (Wide Open Throttle)工況下爆震起始角的試驗結果與仿真預測對比，可以從該工況下仿真與試驗爆震起始角間0.76°的標準誤差RMSE (root mean square error)看出，該模型預測結果與試驗結果匹配得很好。另外，其他工況條件下也獲得了相似的對比結果。

1.2.2 模型標定與預測

圖3和圖4分別示出1 000 r/min全負荷工況下，不同凸輪軸對應的缸壓和油耗扭矩試驗數據和仿真標定結果的對比。如圖所示，在該工況條件下，不同壓縮比或凸輪型線對應的計算模型與試驗得到的缸壓曲線能夠很好地匹配，另外，在同等條件設置下，模擬仿真得到的與臺架試驗得出的扭矩、油耗的差異都滿足3%以內的工程誤差。另外可以發現，原凸輪軸CR9.3和LIVC缸壓曲線與另兩種情況相比更為“瘦高”，這是由于高負荷爆震因素的存在，原凸輪軸增加壓縮比和EIVC凸輪軸增加壓縮比兩種情況抗爆震能力較差，需要通過點火角推遲來緩解爆震，因此在相同扭矩輸出情況下缸壓曲線更為“矮胖”。圖5示出EIVC和LIVC情況下試驗結果的p-V圖。由圖5可以看出， LIVC策略下由于點火角提前，燃燒可以在更接近上止點處進行，燃燒更快，反映在p-V圖上為壓力上升更快。但與EIVC相比，二者p-V圍成的面積接近(圖中斜線陰影與點陰影面積)，因此兩者對外扭矩相差不大。同時，在其他不同進排氣正時的工況下，利用該模型的預測結果依舊能夠很好地匹配相應試驗結果，所以該仿真模型可用于本研究的分析預測。

為了能夠更直觀地比較分析應用EIVC與LIVC策略在高負荷工況下對該汽油機熱效率的改善機理，本研究把應用原機凸輪軸時的IVC時刻(Intake-Valve Closure)設置為下止點附近，使得原機凸輪軸發動機有效壓縮比等于幾何壓縮比。另外進氣閥早關與遲關的IVC時刻分別設置在活塞下止點前后80°曲軸轉角左右。此時3種凸輪軸的進氣閥開啟時刻相同。實際仿真預測過程中，在滿足動力輸出保持不變的條件下，分別對不同壓縮比或凸輪型線的4種情況的點火角進行掃描，并通過爆震模型選取臨界爆震點。

1.3 熱效率影響因子分析原理

對于發動機的熱力循環，由能量平衡有

Qf=Qu+Qc+Qout+Wm+We。

(3)

式中：Qf，Qu，Qc，Qout分別為燃料燃燒產生的總化學能、未完全燃燒部分的能量、缸內傳熱損失以及廢氣能；Wm為機械摩擦與泵氣損失功之和；We表示此循環中由曲軸對外輸出的有效功。

有效效率ηe可表示為以下各因子的乘積[9]：

ηe=ηth·ηb·ηglh·(1-Φw)·ηm。

(4)

ηth是理論熱效率，對于米勒循環可表示為

(5)

式中：εc表示該汽油機的有效壓縮比，定義為進氣閥關閉時刻與上止點時氣缸內所有工質的體積之比；γ為工質比熱容比，本研究中取循環平均；εe為該汽油機的膨脹比，試驗和仿真中排氣門開啟時刻一致并位于活塞下止點附近，因此本研究中約等于幾何壓縮比，而原凸輪軸對應進氣門關閉時刻位于活塞下止點處(見圖1)，因此其有效壓縮比可以等效為幾何壓縮比；δ是等容燃燒結束與起始時刻缸內的壓力之比。

ηb為燃燒效率，可由式(6)[10]表示：

(6)

式中：[CO]，[CO2]，[HC]，[H2]分別代表對應組分的濃度；Hu和M為所用汽油燃料的低熱值(Lower Heating Value)和燃料中單位碳原子對應的摩爾質量(Molecular Weight)。

ηglh為燃燒放熱等容度，即燃燒過程接近等容放熱的程度。原機凸輪軸的等容度可通過式(7)[11]計算，而對于米勒循環，則需要把中間理論效率部分用式(5)代入。

(7)

式中：Q可通過Qb-Qc來計算，Qb表示燃燒放熱量，Qc表示缸內由于傳熱所造成的損失；VS表示氣缸的工作容積；VC是活塞運動到上止點時的余隙容積；Vθ表示曲軸轉角在θ時刻所對應的缸內容積。

Φw為氣缸內由于傳熱造成的損失占燃料燃燒放出的總體熱量的比例，可表示為Φw=Qc/Qb。

機械效率ηm由式(8)計算得出：

(8)

式中：pbme，pfme和ppme分別代表制動、摩擦和泵氣平均有效壓力。

2 研究結果與分析

上述仿真模型在按照對應條件設定之后，對不同凸輪軸和壓縮比對應的4種情況的點火角分別進行掃描，在滿足爆震模型的前提下得到1 000 r/min WOT工況下臨爆點的燃油消耗率,結果見圖6。壓縮比由9.3增加到12.0時，爆震傾向更為嚴重，迫使點火角進一步后推，造成燃油經濟性惡化。米勒循環通過縮短壓縮沖程來抑制爆震，使得高負荷點火角能夠往前提，從而在一定程度上改善了油耗。而采用LIVC策略實現的米勒循環效果好于采用EIVC策略，與CR9.3原機比，兩者分別提高燃油經濟性3.0%和2.4%。

圖7示出高負荷工況下，各影響因子對本工況熱效率的貢獻情況。發動機的有效熱效率受到理論熱效率ηth、燃燒放熱等容度ηglh、燃燒效率ηb、缸內傳熱損失比例Φw和機械效率ηm的影響，有效效率的變化直接影響著燃油經濟性。原機凸輪軸CR12.0情況時發動機有效熱效率為22.8%，這主要是由于點火角的推后，而EIVC和LIVC發動機的有效熱效率均略高于原發動機。

圖7中，采用EIVC和LIVC策略后理論熱效率分別為53.1%和52.8%，低于原機凸輪軸CR12.0時的53.4%，但兩者都高于原機凸輪軸CR9.3的情況。從理論分析可知，有效壓縮比εc直接影響著理論熱效率，因此壓縮比提高后理論熱效率會有較大程度提升。而對于米勒循環，進氣閥關閉時刻相對下止點的偏離縮短了其壓縮沖程，從而使其有效壓縮比更低。同時進氣閥關閉時刻的變化導致缸內溫度存在差別，使得4者的比熱容比也不盡相同。

從圖7每種情況第二根柱與第一根柱的比值計算發現，燃燒效率都偏低，介于81%～84%。這是由于高負荷時為了降低排氣溫度來保護渦輪機葉片，通常需要采用燃油加濃技術。由燃油加濃帶來的不完全燃燒損失可以從圖8中各因素占發動機燃料總能量的比重看出。壓縮比升高時需要更濃的燃油比例來降低排氣溫度，因而增加了缸內不完全燃燒損失占燃料總能量的比重。對于壓縮比12.0的3種情況，采用LIVC策略后燃燒效率要高于另外兩者，源自其更長的進氣時間所帶來的更為充分的油氣混合。

圖8中缸內傳熱損失占燃料總能量的比重是有效壓縮比、空燃比、點火角等因素綜合影響的結果。壓縮比提高后，缸內燃燒變得更加劇烈，使得燃燒溫度較原機更高，增加了缸內傳熱損失，但更為嚴重的爆震傾向又迫使點火角推后和燃油加濃，抑制了缸內溫度過高，又使得傳熱損失降低。米勒循環的應用有效緩解了高負荷的爆震，從而可以在原凸輪軸CR12.0的基礎上增加點火提前角，促進燃燒，一定程度上增加了燃燒溫度。進氣閥早關的傳熱損失小于進氣閥晚關，這主要由于進氣沖程時EIVC在進氣閥關閉到活塞運動到下止點這段時間內，由于沒有新鮮氣體進入缸內，同時活塞下行，導致更多的熱量從缸壁傳給缸內氣體，這一部分吸收的熱量在一定程度上抵消了循環總體的傳熱損失，使其傳熱損失偏少；采用LIVC策略后，由于進氣閥門遲關，活塞上行時會有部分氣體攜帶熱量被推回進氣道，增加了損失。缸內溫度和排氣溫度直接影響著缸內傳熱損失和排氣損失，而從圖中可知，當綜合考慮傳熱和排氣損失的總體影響時，不同情況的差別并不明顯。

通過計算能夠得到4種情況的等容度。低壓縮比9.3和LIVC CR12.0的放熱等容度要高于另外兩種情況。經過掃描后得到CR9.3原凸輪軸，CR12.0原凸輪軸，EIVC CR12.0和LIVC CR12.0凸輪軸4種情況在臨界爆震點時的點火角分別為-4.25°ATDC，3°ATDC，-2.5°ATDC，-6°ATDC。從圖9放熱率曲線可以看出，對于應用原機凸輪軸的兩種情況，采用原機壓縮比9.3時由于點火角更為提前，使得其放熱率曲線型心位置也更接近上止點。而由于對爆震的抑制作用，與壓縮比同為12.0而應用原機凸輪軸的情況相比，米勒循環的兩種情況可以將點火角提前，其燃燒相位也更為優化。LIVC燃燒相位與EIVC相比更接近上止點，這主要由于EIVC進氣過程的快速吸熱與LIVC壓縮過程仍有部分熱量排出缸內，使得LIVC在壓縮上止點時缸內溫度低于EIVC(見圖10)，從而導致其具有更強的抗爆震特性，因此可以擁有更提前的點火角和更為優化的燃燒相位。

從圖7中計算得到的機械效率來看，EIVC策略下最高， LIVC低一些，采用原機凸輪軸機械效率最低。機械效率與發動機的摩擦損失和泵氣損失有關。對于相同轉速負荷工況，摩擦及輔機類損失差別不大。而對于增壓發動機，高負荷時由于進排氣存在正壓差，泵氣通常做正功。提高泵氣正功可以有效降低循環的機械損失，從而擁有更高的機械效率。為了保持動力輸出一致，采用進氣門早關技術需要的增壓壓力最大，然后是采用進氣門晚關技術，原機凸輪軸的兩種情況增壓壓力最小，計算結果見圖11。增壓強度的提升可以有效增加泵氣所做的正功，計算得到的進氣閥早關與遲關對應的ppme分別為51 kPa和31 kPa，均高于原凸輪軸的兩種情況，因此具有更高的機械效率，這也是米勒循環的優勢之一。

3 結論

a) 高負荷工況下，較高的幾何壓縮比12.0雖然帶來了理論熱效率的提升，但也導致了更為嚴重的爆震傾向，點火角被進一步推后，使得其與低壓縮比9.3相比，燃油消耗反而惡化；

b) 對于相同壓縮比12.0，應用EIVC和LIVC策略實現的米勒循環對發動機的油耗皆有不同程度的改善；相比于原發動機，進氣閥早關與遲關技術對油耗的改善程度分別為2.4%和3.0%；

c) 在高負荷工況下，LIVC對發動機熱效率的提升作用更為明顯。

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[4] 鄭斌，李鐵，尹濤.米勒循環改善增壓直噴汽油機熱效率的機理分析——部分負荷工況分析[EB/OL]．[2015-05-18]．http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1255.TK.20150212.1230.004.html.

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[編輯： 袁曉燕]

Analysis of Thermal Efficiency Improvement Implemented with Miller Cycle for High Compression Ratio Gasoline Engine at High Load

ZHENG Bin, LI Tie, YIN Tao

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

For a highly boosted, high compression ratio and direct injection gasoline engine, the Miller cycle realized by the early intake-valve closing (EIVC) or the late intake-valve closing (LIVC) strategy at high load was simulated and the improvement mechanisms of thermal efficiency for both strategies were compared based on the first law of thermodynamics. The results show that a higher geometric compression ratio can increase the theoretical thermal efficiency, but lead to the fuel consumption increase by 1.9% due to knock limit at high load. The application of Miller cycle can suppress knock tendency effectively and the fuel economy for EIVC and LIVC strategy improves by 2.4% and 3.0% respectively compared with the original engine. Compared with EIVC, LIVC can bring about a better combustion phase and more thorough in-cylinder combustion.

early intake valve closing(EIVC); late intake valve closing(LIVC); Miller cycle; high load; knock; thermal efficiency

2015-05-18；

2015-07-29

教育部博士點基金(20120073120059)；上海市浦江人才計劃(13PJ1404300)

鄭斌(1990—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機工作過程數值模擬；zhengbin569569@163.com。

李鐵(1974—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為先進內燃機燃燒、代用燃料技術等；litie@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.004

TK411.1

B

1001-2222(2015)05-0020-06